Mit der dritten Hardware-­Evolutionsstufe seit Einführung der ­Expertenplattform XG und der Einsteigermodellreihe CV-X betritt Keyence mit der Integration von Shape-from-Shading-Technologie Neuland. Die Adaption der bereits vorhandenen Lichtschnittsensor­familie LJ-V wird ergänzt und die Lücke zwischen klassischer 2D-Bildverarbeitung und High-End 3D-Messtechnik geschlossen.

Die Entwicklung und Evolution der Modellreihen CV-X und XG war in den letzten Jahren hauptsächlich auf die Verbindung von leistungsstarker Hardware mit einem möglichst einfachen Bedienkonzept fokussiert. High-End Hardwarekomponenten wie High-Speed-Kameras, 21-Megapixel-Kameras und Lichtschnittsensoren treffen hierbei auf ein standardisiertes Kompaktsystem, das für den weltweiten Einsatz wichtige Tools, wie einen Auto-Manual-Generator in mehr als 10 Sprachen oder einen Assistenten zur Kamerainstallationsreplikation, an Bord hat. Als nächste Ausbaustufe setzen die Entwicklungsingenieure von Keyence nun an einem neuralgischen Punkt für viele Bildverarbeitungsapplikationen an: Die Wahl der Beleuchtung. Dieser oft unterschätzte, für den Erfolg einer Anwendungslösung aber kritische Punkt wird durch die Nutzung von Shape-from-Shading-Technologie unter dem Markennamen LumiTrax deutlich verschlankt und vereinfacht.

Die Technologie: Shape-from-Shading
Eine Beleuchtung aus verschiedenen Richtungen erzeugt unterschiedliche Schattierungen einer Oberfläche für eine Serie von Bildaufnahmen. Über entsprechende Algorithmen können aus den gewonnenen Bildreihen sowohl die Topographie der Oberfläche als auch die Textur voneinander getrennt werden. Kosmetische Defekte, wie beispielsweise Kratzer oder Dellen, lassen sich durch diesen Ansatz unabhängig von Farbe und Helligkeit der Oberfläche extrahieren. Umgekehrt ist es möglich, die Textur einer Oberfläche frei von Spiegelungen oder konturbedingten Helligkeitsunterschieden darzustellen.
Die Verbreitung von Shape-from-Shading-Ansätzen im Bereich der industriellen Bildverarbeitung hat in den letzten Jahren zugenommen. Der Technologie haftet jedoch nach wie vor ein gewisser „Exotenstatus" an. Teilweise hängt die fehlende Durchdringung des Marktes noch mit technischen Limitierungen zusammen. Hier ist vor allem die Bildaufnahmegeschwindigkeit bei dynamischen Prozessen als begrenzender Faktor zu nennen. Darüber hinaus sind vorhandene Systeme oft aufwendig konstruiert und dementsprechend kostenintensiv in der Anschaffung.

Variable Konfigurationen
Die für eine stabile Erkennung notwendige Synchronisierung von Kamera und intelligenter Beleuchtung erfolgt über den gemeinsam genutzten Controller der jeweiligen Modellreihen CV-X und XG. Je nach Modus verarbeitet der Controller bis zu 12 Einzelbilder pro Trigger. Der Algorithmus ist dabei in der Lage, Topographie- bzw. Texturinformationen aus acht einzeln durchgeschalteten Beleuchtungssegmenten zu gewinnen. Vier weitere Bilder werden dazu verwendet, Kameravibrationen, Bauteilbewegung sowie Spiegelungen durch Umgebungslicht zu eliminieren.
Neben zwei unterschiedlichen Beleuchtungsgrößen sind verschiedene Kameramodelle für die jeweilige Anwendung verfügbar. Für extrem schnelle Prozesse ist dabei das VGA-Modell mit einer Bilderfassungszeit von 1,7 ms bei einer Auflösung von 512 x 480 Pixeln am besten geeignet. Für hochauflösende Bilder steht eine 5-Megapixel-Kamera zur Verfügung, die bei 2.432 x 2.040 Pixeln alle 27,6 ms ein Bild aufnimmt. Kameras mit 2 Megapixeln (1.600 x 1.200, 11,6 ms) runden das Portfolio ab. Sämtliche Kameras verwenden CMOS Sensoren (zwischen 1/3 Zoll und einem 1 Zoll) und sind jeweils in Monochrom und Farbausführung erhältlich.

Anwendungsfelder
Die Verbindung des Kompaktbildverarbeitungssystems mit der LumiTrax-Technologie zielt neben der Vereinfachung der Beleuchtungsauswahl vor allem auf sichere ­Prozesse und Minimierung von Pseudoausschuss ab. Nach eigenen Untersuchungen erwartet Keyence für viele Anwendungen, die bisher mit herkömmlichen Ansätzen gelöst wurden, deutliches Optimierungspotential in Bezug auf Stabilität und Robustheit der Lösung.
Darüber hinaus sorgt der Shape-from-Shading-Ansatz im ursprünglichen Sinne dafür, dass einige Spezialanwendungen durch diese Technologie erst lösbar werden. Hierzu gehört neben OCR-Aufgaben („optical character recognition", deutsch: optische Text­erkennung) auf schwierigen Oberflächen (z. B. Gussteile) auch besonders die Inspektion von Prägungen und Stanzungen im Bereich bedruckter Verpackungen.
Neue Entwicklungen in Sensor- und Beleuchtungstechnologie, gepaart mit innovativen Algorithmen, erwecken die Shape-from-Shading-Technologie zu neuem Leben. Die Integration in bestehende Standard-Bildverarbeitungs-Plattformen garantiert dabei einfache Applikationsentwicklung, hohe Verfügbarkeit und überschaubare Kosten.

INTERVIEW: Do-it-yourself war gestern

Unter dem Motto „Leistung trifft Einfachheit" hat Keyence 2012 die Modellreihe CV-X als Standard­plattform auf den Markt
gebracht - sozusagen als High-End-Bildverarbeitung für jeden. Wir wollten wissen, wie sich das Konzept weiterentwickelt, und ­sprachen im Vorfeld der Vision mit Andreas Woerz, Vertriebs­leiter Messtechnik & Bildverarbeitung bei Keyence ­Deutschland.

inspect: Herr Woerz, was hat sich in den vergangenen zwei Jahren in Sachen bedienerfreundliche Bildverarbeitung bei Keyence weiter getan?
A. Woerz: Die Akzeptanz dieser Plattform, insbesondere bei Endkunden, bestärkt uns darin, das Portfolio Stück für Stück zu erweitern. Anfang dieses Jahres haben wir dafür gesorgt, dass unsere Profilsensoren aus der Modellreihe LJ-V direkt an die Plattform CV-X andocken können. Schwierige 3D-Anwendungen sind dadurch nun auch von Bildverarbeitungseinsteigern zu lösen. Besonders freut uns jedoch, dass die Spezifikationen des Sensors dafür sorgen, dass auch Experten, die bisher Do-it-yourself-Lösungen im Bereich 3D bevorzugt haben, bei uns landen. Unsere Expertenplattform XG, die auf Maschinenbauer und Integratoren abzielt, können wir mittlerweile als echten Erfolg verbuchen.

inspect: Lassen Sie uns schon mal ein bisschen „den Vorhang" lüften: Welche Neuheiten dürfen die Besucher am Keyence-Stand auf der Vision in Stuttgart erwarten?
A. Woerz: Mit unserer Hauptinnovation Lumi­Trax wollen wir zeigen, welches Potential in Technologien steckt, wenn sie als stimmiges Gesamtsystem konzipiert und mit feinster Sensor- und Beleuchtungstechnik ausgestattet werden. Der Shape-from-Shading-Ansatz hat lange genug ein Schattendasein geführt - wir haben uns vorgenommen das zu ändern.

inspect: Auf welche Anwendungen oder Branchen zielt die neue Produktreihe?
A. Woerz: Neben einigen Spezialanwendungen, die durch Shape-from-Shading überhaupt erst lösbar werden, nehmen wir uns vor allem herkömmliche Anwendungen vor, die mit Prozessunsicherheit und Pseudoausschuss zu kämpfen haben. Hier sehen wir insgesamt deutlich mehr Potential als bei Spezialanwendungen. Unterstützung erwarten wir dabei vor allem von erfahrenen Bildverarbeitungsanwendern, die dieses Potential sehr gut verstehen. Das bestätigen uns die ersten Kundenprojekte.

inspect: Sie sind ja auch mit einem Vortrag zum Thema „Automotive Anwendungen" im inspect application forum vertreten. Wie und über welche Kanäle bedient Keyence im Bildverarbeitungs-Bereich üblicherweise Industriekunden und Endanwender?
A. Woerz: Durch unseren sehr breit aufgestellten Direktvertrieb von optischer ­Sensorik über berührungslose und taktile Messtechnik, Mikroskopie, Lasermarkierung bis hin zum 3D-Druck gibt es nur noch wenige industrielle Kunden in Deutschland, die wir nicht direkt bedienen. Für die Sparte Bildverarbeitung wird es darüber hinaus immer wichtiger, diesen direkten Ansatz über ein Netzwerk an ­Systemintegratoren und Maschinenbauer zu unterfüttern. Im Rahmen unseres „Solution Network Partner" Programms pflegen wir die Zusammenarbeit mit einigen sehr wertvollen Integratoren. Diesen Kanal wollen wir weiter ausbauen und stärken. Ein Indikator dafür ist unsere Präsenz auf der Vision, wo vier unserer Solution Network Partner ihre Lösungen präsentieren.

inspect: Die Vision hat ein Jahr pausiert, auch um sich neu aufzustellen. Was erwarten Sie dieses Mal von der Messe?
A. Woerz: Die Nähe unseres Standes zur Integration Area und die Teilnahme am inspect application forum sind kein Zufall. Wir wollen mit möglichst vielen Bildverarbeitungsanwendern über konkrete Projekte sprechen. Wenn es um Komplettlösungen geht, auch direkt gemeinsam mit unseren Integrator-Partnern. Das Netzwerken mit bekannten und neuen Gesichtern ist ein schöner Nebeneffekt, auf den wir uns nach zwei Jahren natürlich ebenfalls besonders freuen.